摘 要：采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的運(yùn)動(dòng)控制方案，設(shè)計(jì)了基于VB的四軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)用控制卡的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)單軸點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)運(yùn)動(dòng)以及直線和圓弧插補(bǔ)等功能。詳細(xì)說(shuō)明了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：VB；運(yùn)動(dòng)控制卡；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)

引言

為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)正在不斷地深入到各個(gè)領(lǐng)域并得以迅速發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在各類(lèi)控制工程中有著廣泛的應(yīng)用前景。其應(yīng)用范圍涵蓋數(shù)控加工業(yè)、汽車(chē)制造業(yè)和機(jī)器人等多個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件來(lái)滿足實(shí)際工作的需求，已經(jīng)成為備受關(guān)注的研究課題[1，2]。

近年來(lái)，PC+運(yùn)動(dòng)控制卡模式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)放性易實(shí)現(xiàn)、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)[3]。文章的控制系統(tǒng)也采用PC+運(yùn)動(dòng)控制卡模式。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成，PC為控制系統(tǒng)的上位機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制卡為下位機(jī)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

PC主機(jī)與控制卡通過(guò)PCI通訊方式實(shí)現(xiàn)信息交換，PC機(jī)通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)向控制卡發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，運(yùn)動(dòng)卡接收來(lái)自上位機(jī)的指令后向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制脈沖信號(hào)，控制卡可以控制所發(fā)出脈沖的頻率、個(gè)數(shù)及頻率變化率，從而能滿足電機(jī)各種復(fù)雜的控制要求[4，5]，主機(jī)也可以通過(guò)總線讀取運(yùn)動(dòng)控制卡的輸入信號(hào)，如通用輸入口、限位信號(hào)、原點(diǎn)開(kāi)關(guān)等，經(jīng)判斷并執(zhí)行相應(yīng)運(yùn)算后向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出相應(yīng)執(zhí)行指令。

系統(tǒng)采用的運(yùn)動(dòng)控制卡是深圳固高公司生產(chǎn)的基于PCI總線的型號(hào)為GTS-400-SV的高性能運(yùn)動(dòng)控制卡，該控制卡可以同時(shí)控制4個(gè)軸，實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)其中一個(gè)軸的電路連接方式如圖2所示，控制卡的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)放大處理后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，LIM+和LIM-分別連接對(duì)應(yīng)軸的正向限位和負(fù)向限位開(kāi)關(guān)，HOME為原點(diǎn)觸發(fā)信號(hào)的輸入引腳，連接原點(diǎn)開(kāi)關(guān)[6]。

圖2 電路連接圖

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

固高運(yùn)動(dòng)控制卡的控制系統(tǒng)可以使用VC、VB和Delphi等支持動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的開(kāi)發(fā)工具來(lái)編寫(xiě)[7]。文章的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制軟件采用VB（Visual Basic）語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。VB是面向Windows的可視化編程開(kāi)發(fā)工具，具有簡(jiǎn)練的語(yǔ)法和強(qiáng)大的功能、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想以及方便快捷的可視化編程手段[8]，它屏蔽了Windows環(huán)境下程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，利用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL可以很快開(kāi)發(fā)出Windows平臺(tái)下的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，因此VB在機(jī)電系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)方面占有很大的比例。

2.1 程序界面設(shè)計(jì)

程序界面主要包括參數(shù)設(shè)置、功能選擇和運(yùn)動(dòng)操作模塊。硬件參數(shù)包括電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)、絲杠螺距、驅(qū)動(dòng)器細(xì)分倍數(shù)及控制卡控制周期的設(shè)置，增加了使控制系統(tǒng)的適用性，參數(shù)設(shè)置還包括運(yùn)動(dòng)軸軸號(hào)選擇、運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置、移動(dòng)距離設(shè)置、加速度以及加加速度設(shè)置，功能選擇模塊包括直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、單軸運(yùn)動(dòng)、電子齒輪等運(yùn)動(dòng)模式的選擇，操作模塊包括驅(qū)動(dòng)復(fù)位、位置清零、回原點(diǎn)、開(kāi)始、停止和點(diǎn)動(dòng)等，控制程序界面如圖3所示。

圖3 程序界面

2.2 控制程序的編寫(xiě)

運(yùn)動(dòng)控制卡提供了Windows環(huán)境下的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，在Windows系統(tǒng)下，用戶通過(guò)PC機(jī)調(diào)用函數(shù)庫(kù)中的指令，向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)各種功能。在使用VB編寫(xiě)程序之前，首先將控制卡動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)gts.dll和函數(shù)聲明文件gts.bas復(fù)制到工程文件夾中，然后選擇工程菜單下的“添加模塊”，切換到“現(xiàn)存”標(biāo)簽頁(yè)，選擇工程文件夾中的函數(shù)聲明文件gts.bas，將其添加到工程中。最后將運(yùn)動(dòng)控制器的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件gts.dll復(fù)制到PC機(jī)中C盤(pán)windows system 文件夾中。至此可以調(diào)用函數(shù)庫(kù)中的指令函數(shù)來(lái)編寫(xiě)程序[9]，使用VB編寫(xiě)控制程序的界面如圖4所示。

圖4 程序代碼編寫(xiě)界面

程序主要包括返回值處理函數(shù)、初始化函數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置及運(yùn)動(dòng)執(zhí)行函數(shù)等。初始化函數(shù)包括控制卡和運(yùn)動(dòng)控制軸初始化函數(shù)，控制卡初始化函數(shù)由GT_Open（）（打開(kāi)運(yùn)動(dòng)控制器）、GT_SwitchtoCardNo（）（指定當(dāng)前控制卡）、GT_SetSmplTm（）（設(shè)置控制周期）、GT_Reset（）（復(fù)位運(yùn)動(dòng)控制器）等指令組成；運(yùn)動(dòng)軸初始化函數(shù)由GT_Axis（）（設(shè)置當(dāng)前軸）、GT_ClrSts（）（清除當(dāng)前軸狀態(tài)）等指令組成?？刂瓶ㄌ峁┝舜罅康倪\(yùn)動(dòng)指令供調(diào)用，可以滿足各種簡(jiǎn)單及復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制的要求。

以下是以電子齒輪模式運(yùn)動(dòng)函數(shù)為例簡(jiǎn)要介紹VB編程環(huán)境下運(yùn)動(dòng)指令的調(diào)用方式，對(duì)于用戶通過(guò)主機(jī)發(fā)送的命令，運(yùn)動(dòng)控制器在檢查、校驗(yàn)后，會(huì)給出一個(gè)反饋，這個(gè)反饋就是指令（庫(kù)函數(shù)）的返回值，在程序中，指令的返回值賦值給變量rtn，rtn經(jīng)過(guò)返回值處理函數(shù)顯示出相應(yīng)的錯(cuò)誤信息。指令GT_PrflG（2）為設(shè)置當(dāng)前軸的運(yùn)動(dòng)模式為電子齒輪控制模式，主軸為2軸，指令GT_SetRatio（2）用來(lái)設(shè)置當(dāng)前軸的電子齒輪傳動(dòng)比為2。指令GT_SetAcc（0.01）、GT_SetVel（B）、GT_SetPos（A）分別用來(lái)設(shè)置當(dāng)前軸的運(yùn)動(dòng)加速度、速度及目標(biāo)位置，變量B和A分別為用戶輸入的速度及目標(biāo)位置經(jīng)過(guò)運(yùn)算后的數(shù)值。

Private Sub GMotion（） '電子齒輪控制模式運(yùn)動(dòng)子函數(shù)

rtn = GT_Axis（1）： Er （rtn）

rtn = GT_PrflG（2）： Er （rtn）

rtn = GT_SetRatio（2）： Er （rtn）

rtn = GT_Update（）： Er （rtn）

End Sub

Private Sub Command6_Click（） '以電子齒輪模式運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置

Dim A As Single

Dim B As Single

A = Text2

B = Text1 / 4 * 1600 / 1000000 * 200

GT_Initial

InputCfg

Axis_1_Initial

Axis_2_Initial

GMotion

rtn = GT_Axis（2）

rtn = GT_PrflT（）： Er （rtn）

rtn = GT_SetAcc（0.01）： Er （rtn）

rtn = GT_SetVel（B）： Er （rtn）

rtn = GT_SetPos（A）： Er （rtn）

rtn = GT_Update（）： Er （rtn）

End Sub

3 結(jié)束語(yǔ)

文中運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”模式，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)機(jī)制使VB在對(duì)第三方運(yùn)動(dòng)控制卡的支持上有了一個(gè)通用可行的途徑。這種方法不僅可以采用價(jià)格相對(duì)較低的普通運(yùn)動(dòng)控制卡，而且能避免繁瑣的界面編程，縮短周期，提高效率，降低成本。文章所引用的程序已在某四軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上通過(guò)測(cè)試并得到應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

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